硅藻土瀝青膠漿抗老化性能研究

王友中，張麗麗

（1.江蘇省寧通高速公路管理處，江蘇 泰興 225403；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017）

硅藻土瀝青膠漿抗老化性能研究

王友中1，張麗麗2

（1.江蘇省寧通高速公路管理處，江蘇 泰興 225403；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017）

硅藻土作為一種天然改性劑，對瀝青高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和抗疲勞性都有較好的改善作用。文章首先通過實踐評價，確定硅藻土制備工藝；然后，從瀝青膠漿層面出發(fā)，對硅藻土瀝青膠漿物理力學行為進行研究，采用針入度、軟化點、延度以及改進的錐入度試驗，分析5%、10%、15%摻量的硅藻土對瀝青膠漿的高低溫性能和抗老化性能的影響，最終得到影響瀝青膠漿不同性能的硅藻土最佳摻量。

瀝青膠漿；硅藻土；針入度；抗老化

硅藻土作為一種天然改性劑，在我國存儲極為豐富，具有表面粗糙、硬度較大、微孔結構和活性成份豐富等特點。這使得硅藻土改性瀝青在瀝青路面上的應用前景極為廣闊，大量研究發(fā)現(xiàn)硅藻土作為瀝青改性劑，對瀝青高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和抗疲勞性都有較好的改善作用，但對低溫性能的改善作用目前仍未達成共識［1-5］。同時，國內外對硅藻土改性瀝青的研究多數(shù)集中在瀝青和瀝青混合料的研究，而對瀝青和填料組成的膠漿體系以及膠漿和細集料組成的砂漿體系的研究相對較少［6-7］。眾所周知低溫條件下，瀝青路面的抗裂性80%是由膠漿和膠砂提供的，粗集料對低溫性能起的作用很小［8］，因此對硅藻土改性瀝青膠漿、砂漿體系進行研究十分必要。

硅藻土瀝青膠漿是瀝青和硅藻土混合而成的二元體系，其混合的均勻程度直接影響到瀝青膠漿及瀝青混合料的路用性能，本文采用專用的高速攪拌鍋剪切。與純?yōu)r青不同，瀝青膠漿對基礎試驗指標的適用性提出更高的要求。為較全面地評價瀝青膠漿的物理力學性能，本文從評價基質瀝青的針入度指數(shù)體系指標試驗出發(fā)，評價硅藻土對瀝青膠漿的改性作用，接著采用評價改性瀝青的錐入度試驗從高溫方面評價硅藻土改性瀝青膠漿的力學性能。

1 原材料性能指標測試

1.1 瀝青、硅藻土及礦粉基本指標

本文研究使用的瀝青為盤錦-AH90#重交通石油瀝青，瀝青技術性能測試結果如表1所示。本文選用的硅藻土為助濾劑煅燒品，呈灰白色粉末狀，平均粒徑10 μm。硅藻土的化學成分如表2所示，硅藻土的基本性質如表3所示。采用吉林郭家店生產的礦粉，其技術指標如表4所示［1-4］，親水系數(shù)0.78（規(guī)范限值＜1），表觀密度2.741 g·cm-3（規(guī)范限值＞2.50 g·cm-3）。

1.2 硅藻土瀝青膠漿制備［5-8］

本文采用專用的高速攪拌鍋剪切，具體操作過程如下：

（1）稱取相應比例的填料（硅藻土和礦粉）和基質瀝青，將其放入150 ℃的烘箱中保溫4 h以上。同時將高速攪拌鍋預熱，溫度設為150 ℃。

（2）攪拌鍋溫度達到預定溫度后，將填料和瀝青依次倒入攪拌鍋中，恒溫5 min后啟動攪拌葉片。攪拌速率設為4 000 r/min，攪拌時間為40 min。為保障瀝青與填料攪拌均勻，在攪拌過程中，每隔10 min上下調節(jié)攪拌鍋攪拌葉片的高度。由于填料自重的影響，顆粒會產生部分下沉的現(xiàn)象，膠漿底部會產生顆粒大規(guī)模集聚。因此，在進行試驗前，應對膠漿進行二次攪拌，二次攪拌時間為5 min。

表1 基質瀝青技術指標

表2 硅藻土化學成分

表3 硅藻土基本性質

表4 礦粉技術指標

（3）攪拌完成之后，根據試驗需要澆筑瀝青膠漿測試試件，并置于室溫下冷卻。

2 針入度指數(shù)體系指標試驗

目前，對于我國現(xiàn)行的改性瀝青規(guī)范沒有統(tǒng)一規(guī)定，本節(jié)采用常規(guī)的針入度指數(shù)體系指標對硅藻土瀝青膠漿的物理力學性能進行初步評價。

2.1 針入度試驗結果與分析

分別對5%、10%和15%的硅藻土改性瀝青膠漿和相應摻量的礦粉瀝青膠漿進行了15 ℃、25 ℃和30 ℃的針入度試驗，分別計算出針入度指數(shù)PI、當量軟化點T800和當量脆點T1.2。各瀝青膠漿老化前后的針入度分別如圖1和圖2所示。

由圖1可知，無論是硅藻土瀝青膠漿還是礦粉瀝青膠漿，其針入度值都隨溫度的升高而增大，且隨填料摻量的增加而降低。同時，在溫度和摻量相同的條件下，硅藻土瀝青膠漿的針入度均小于礦粉瀝青膠漿。因此，硅藻土與礦粉對比，硅藻土具有更好的高溫穩(wěn)定性，硅藻土能改善瀝青膠漿的高溫性能。圖2是瀝青膠漿老化后相同摻量硅藻土和礦粉在不同溫度下的針入度對比圖，與老化前相比，老化后瀝青膠漿的針入度均明顯下降了，即瀝青稠度變大。但對比老化后相同溫度、相同摻量的硅藻土和礦粉瀝青膠漿發(fā)現(xiàn)，兩種瀝青膠漿針入度值相差不大。表明硅藻土瀝青膠漿老化針入度下降速率低于礦粉瀝青膠漿，反映出硅藻土對瀝青老化有一定的抑制作用［9-11］。

圖1 各瀝青膠漿老化前針入度

圖2 各瀝青膠漿老化后針入度

不同摻量、不同溫度下各瀝青膠漿的針入度指數(shù)PI、當量軟化點T800和當量脆點T1.2，分別如圖3～圖5所示。

圖3 不同摻量下PI值

圖4 不同摻量下T800值

圖5 不同摻量下T1.2值

由圖3～圖5可得到如下結論：

（1）由圖3可見，相同摻量的硅藻土的針入度指數(shù)大于相同摻量礦粉的針入度指數(shù)，說明硅藻土減弱了瀝青溫度感應性，這對瀝青路用性能是有利的。老化后針入度指數(shù)都提高了，且礦粉瀝青膠漿的針入度指數(shù)提高幅度明顯大于硅藻土，以至于除填料摻量為15%外，硅藻土瀝青膠漿針入度指數(shù)都小于礦粉。

（2）由圖4可知，老化前相同摻量的硅藻土和礦粉瀝青膠漿，硅藻土瀝青膠漿當量軟化點T800均大于礦粉瀝青膠漿的當量軟化點，說明老化前硅藻土瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性較礦粉瀝青膠漿好。老化后，膠漿的當量軟化點都增大了，即老化使得瀝青變稠變硬，高溫穩(wěn)定性增強。當摻量為5%和10%時，摻硅藻土的當量軟化點T800小于摻礦粉的T800，而當摻量為15%時，硅藻土瀝青膠漿當量軟化點最大，且大于相同摻量礦粉瀝青膠漿，即此時瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性最佳。

（3）由圖5可見，老化后，硅藻土瀝青膠漿的當量脆點T1.2明顯增大，表明老化對瀝青膠漿的低溫性能不利。但無論老化前還是老化后，硅藻土瀝青膠漿的當量脆點T1.2均大于礦粉瀝青膠漿，這就表明以當量脆點T1.2作為瀝青膠漿低溫性能的評價指標時，硅藻土的加入對低溫性能不利，加入硅藻土后瀝青膠漿的低溫抗裂性變差了。

2.2 軟化點試驗結果與分析

采用環(huán)球法分別對5%、10%和15%的硅藻土改性瀝青膠漿和相應摻量的礦粉瀝青膠漿進行了軟化點試驗。試驗結果如圖6所示。

圖6 不同摻量下軟化點TR&B值

試驗結果表明：

（1）加入硅藻土和礦粉后軟化點升高，填料的加入使瀝青發(fā)生硬化效應，改善了基質瀝青的高溫穩(wěn)定性，瀝青膠漿黏度相應增大，高溫抗變形的能力增強。

（2）相同摻量的硅藻土和礦粉，硅藻土瀝青膠漿的軟化點明顯大于礦粉瀝青膠漿，且提高了約0.5～2.0 ℃。這表明與礦粉相比硅藻土的加入對瀝青膠漿高溫穩(wěn)定性的改善作用更明顯，這與當量軟化點作為瀝青膠漿高溫穩(wěn)定性評價指標得到的結論一致。

（3）老化后，不同摻量的瀝青膠漿的軟化點都增大了，這說明老化后瀝青材料的熱穩(wěn)定性增強了。但無論是老化前還是老化后，隨著礦粉和硅藻土摻量不同，瀝青膠漿的軟化點各不相同。隨填料摻量增大，軟化點顯著增大，當摻量達到10%時，軟化點增長幅度明顯下降且逐漸趨于平緩，當填料摻量達到15%時，軟化點達到最大，此時瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性最佳。

2.3 延度試驗結果與分析

延度是評價瀝青低溫性能的重要指標，各瀝青膠漿延度值如圖7所示。

圖7 不同摻量下延度值

從圖7可以看出：

（1）與基質瀝青相比，加入硅藻土或礦粉后，延度下降，這是由于填料的加入使得瀝青由均勻體變成分散體，瀝青分子之間的粘結力降低了，瀝青膠漿的黏稠度相應下降。然而，無論是硅藻土還是礦粉瀝青膠漿，老化后延度均下降，說明老化使得瀝青變脆，低溫時受力易斷裂。

（2）老化前后相同摻量的硅藻土和礦粉瀝青膠漿相比，除老化前5%的礦粉瀝青膠漿延度大于硅藻土瀝青膠漿外，硅藻土瀝青膠漿延度均大于礦粉瀝青膠漿。試驗結果表明硅藻土作為填料加入到瀝青中能改善其低溫性能。其中5%的情況出現(xiàn)可能是試驗操作不當引起的。對于不同摻量的瀝青膠漿，延度值隨硅藻土或礦粉的增加逐漸降低。

2.4 錐入度試驗及結果分析

本文參照長安大學劉麗課題組研制的錐入度儀進行設計，在原有針入度的基礎上，將細針換成自制錐針，錐針結構尺寸如圖8所示［12］。通過參照土壤剪切強度的試驗方法，分別測定了不同摻量的瀝青膠漿老化前后在溫度為15 ℃、25 ℃、30 ℃和45 ℃條件下的錐入度，分析硅藻土瀝青膠漿和礦粉瀝青膠漿的高溫性能，抗剪強度可根據所測的錐入度由式（1）計算得到：

式中：τ為抗剪強度；Q為錐針、連桿及砝碼總重；h為錐入度；α為錐針針尖角度（30°）。

圖8 錐針尺寸（單位：mm）

抗剪強度計算結果如圖9所示。

圖9 不同摻量硅藻土瀝青膠漿抗剪強度隨溫度變化

由圖9看出，無論是老化前還是老化后，隨溫度升高，瀝青膠漿的抗剪強度顯著下降，溫度每升高15 ℃，抗剪強度降低約3個數(shù)量級，溫度對抗剪強度變化的影響極大。而在相同溫度下，隨著填料摻量的增加, 抗剪強度逐漸增大，摻量為15%時，抗剪強度最大，瀝青膠漿隨著填料的增加而變稠變硬，其抗剪強度相應提高。

為研究硅藻土瀝青膠漿的抗剪強度與試驗溫度的相關性，找出兩者之間的函數(shù)關系［13-15］，本文將各硅藻土瀝青膠漿老化前后的抗剪強度進行回歸分析，其回歸曲線如圖10所示，回歸結果可知抗剪強度隨溫度呈指數(shù)變化，其表達式如下：

式中：A、B為常系數(shù)，Y為抗剪強度，X為試驗溫度。一般地, 常數(shù)A能直接反應瀝青膠漿的抗剪切性能，A值越大，說明抗剪切性能越高；反之，越小。

圖10 老化前硅藻土瀝青膠漿抗剪強度隨溫度變化關系

將圖10的回歸方程和相關系數(shù)匯總如表5所示。

表5 瀝青膠漿回歸分析的回歸方程及相關系數(shù)

由回歸結果可看出，硅藻土瀝青膠漿的抗剪強度與溫度呈明顯的指數(shù)變化，且回歸方程的相關系數(shù)都達到0.996以上。回歸方程中A值隨硅藻土摻量的增大而增大，即瀝青膠漿抗剪強度隨硅藻土摻量的增加逐漸升高，硅藻土的加入對瀝青膠漿高溫穩(wěn)定性有益。

3 結論

本文進行了原材料試驗、瀝青膠漿基本物理性能指標試驗，主要結論如下：

（1）硅藻土明顯改善了瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性，老化后硅藻土瀝青膠漿老化針入度下降速率低于礦粉瀝青膠漿，硅藻土對老化有一定的抑制作用，當硅藻土摻量為15%時，瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性最佳。

（2）與礦粉相比硅藻土能降低瀝青膠漿的溫度感應性，摻量為15%時硅藻土瀝青膠漿感溫性最弱，瀝青路用性能最佳。

（3）當量脆點評價瀝青膠漿的低溫性能不準確，延度試驗老化前后沒有明顯的規(guī)律性。

（4）試驗結果表明，合理選擇硅藻土摻量才能有針對性地實現(xiàn)硅藻土瀝青膠漿的各方面性能。

［1］劉大梁，劉清華，李祖云.硅藻土改性瀝青應用研究［J］.長沙理工大學學報(自然科學版)，2004（2）：7-12.

［2］張興友.硅藻土改性瀝青混合料低溫抗裂性能研究［J］.公路交通科技，2006（4）：11-13.

［3］郭天龍.硅藻土改性瀝青混凝土在大保高速公路瀝青路面工程中的推廣運用［J］.云南交通科技，2002（5）：78-85.

［4］劉毅.應用紅外光譜分析法解析硅藻土改性瀝青老化機理［J］.中外公路，2007（2）：171-173.

［5］鮑燕妮.硅藻土改性瀝青研究［D］.西安：長安大學，2005.

［6］張爭奇.瀝青膠漿對瀝青混合料高低溫性能的影響［J］.長安大學學報(自然科學版)，2006（2）：1-5.

［7］袁迎捷.基于Superpave的瀝青膠漿流變特性與級配優(yōu)化研究［D］.西安：長安大學，2004.

［8］陳子建. 橡膠瀝青低溫性能研究［J］.公路，2010（6）：185-187.

［9］Cong Peiliang. Effects of diatomite on the properties of asphalt binder［J］. Construction and Building Materials，2012（30）：495-499.

［10］Tan Yiqiu. Study on the phase behavior of asphalt mastic［J］. Construction and Building Materials，2013（47）：311-317.

［11］Q Liu，álvaro García，E Schlangen，MVD Ven. Induction healing of asphalt mastic and porous asphalt concrete ［J］. Construction and Building Materials，2011 （25）：3746-3752.

［12］劉麗.硅藻土改性瀝青膠漿技術性能的評價方法［J］.長安大學學報(自然科學版)，2005（3）：23-27.

［13］鮑燕妮，蔣相華.硅藻土改性瀝青相容性研究［J］.公路工程，2009（1）：90-93.

［14］程永春.不同填料瀝青膠漿物理力學性能試驗［J］.吉林大學學報(工學版)，2014（6）：1628-1632.

［15］劉麗.硅藻土改性瀝青膠漿性能研究［J］.重慶交通學院學報，2004（2）：53-58.

Study on Anti-aging Performance of Asphalt Mortar Adding Diatomaceous Earth

Wang Youzhong1, Zhang Lili2
（1. Jiangsu Nintong Expressway Management Department, Taixing 225403, China; 2. JSTI Group, Nanjing 210017, China）

As a kind of natural modifier, diatomaceous earth had a better effect on asphalt temperature stability, water stability and fatigue resistance. Firstly, through the practice assessment, the preparation process of diatomaceous earth was determined. Then, the physical and mechanical behavior of diatomite modified asphalt binder was studied from the aspect of the asphalt cement, using three tests of penetration, softening point and ductility to analyze the effect of 5%, 10%, 15% of diatomite replacement on high-and-low temperature performances and anti-aging performance of asphalt mortar. Finally, the optimal parameters of diatomaceous earth affecting different properties of asphalt mortar were achieved in this paper.

asphalt mortar; diatomaceous earth; penetration; aging resistance

U414

A

1672-9889（2016）06-0010-04

2016-03-11）

王友中（1974-），男，江蘇興化人，高級工程師，主要從事高速公路道路養(yǎng)護工程管理工作。